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翻訳: T.Sato
例えば、ドックランズ再開発の中心であったロンドンのカナリア埠頭が建てられた時、 それは多数の家にテレビ受信をできなくさせた。 テレビ送信機からのエネルギーはテレビ受信機から逸され、 それらの家での信号強度を受信感度以下に下げた。 (他の人は、電磁エネルギーがその建造物によって減衰させられたと言うかも知れない
この例は非常に基本的なものであるが、次のいくつかの節で、他の例と、 これらがどのように電子システム、特に無線システムの性能に深刻な影響を与え得るかを示そう。
私は車に VHF と UHF のトランシーバを載せていた。 それらは、仕事の行き帰りの1時間の長旅のあいだ、他のハムと話をするために用いていた。 その無線は単方向 (携帯電話のように双方向ではない) であるので、 「オーバー」で送信を交替する必要がある。
これが当時の無線の使い方であり、他の人が数分間喋った後、返事のために私に譲った。 UHF で再び喋り始めるた時、自分の声が VHF 無線から聞こえることに驚かされた。 これはその前の「オーバー」の時には起こっておらず、調べる必要があった。
他のハムの誰かがいたずらをしてるわけではないことを確かめた後で、 これが起きた理由を探し始めた。 私の声は時々 VHF 無線から聞こえたが、他の時には聞こえなかった。 時に、その声は UHF 送信のあいだにフェードインし、あるいはフェードアウトした。 徐々に、私の声が聞こえるときに特定の車が近くに居ることに気付き始めた。 2台の車のあいだの距離の増加や接近に応じて声がフェードアウトやフェードインする時、 その同じ車は何メートルも離れていた。
その効果は、周波数の何らかの混合があり、 その合成の結果が VHF 受信機の通過帯域内に入ったために生じたのであろう。 その状況からすると、高出力の UHF エネルギーが、 エンジン制御ユニット (EMU) か類似の電子回路に入り込んだ可能性が高そうである。 一度 UHF 信号が電子回路内に入れば、UHF 信号が混合され得る多くの周波数があるだろうし、 結果的な VHF 信号は UHF エネルギーが EMU に入り込んだのと同じ形で EMU から放射される。
他の特定の車両の位置と声との相関が、その仮定を組み立てる「証拠」を与える。 「二次 EMC 放射」に気付いたのはこれが最初である。
考え直してみると、他の例もあった。 その１つでは、私の家から6マイル離れた人に特定の周波数で話すことができたが、 時々、その周波数での会話が不可能となった。 その時は、周波数を 25kHz 上げるか下げるかすれば、相当の信号レベルで会話ができた。 このリンクの喪失は、最終的には、近くのガス貯蔵設備内のガスの量に関係することがわかった。 それが満杯か満杯に近い時、貯蔵設備の金属からの反射が、 たまたま特定の周波数での直接の信号を相殺するようになった。 空か空に近い時、その反射は直接の信号を相殺するのに充分ではなく、 会話を行なうことができた。
UAV (無人航空機) の製造業者について考えてみよう。
その UAV は、大きなもの、 戦闘地域で使用される何百キロメートルもの航続距離を持つミサイル搭載機かも知れず、 あるいは 20km の航続距離と 2時間の飛行時間を持つ 盗難車追跡用の小型のカメラ搭載デバイスかも知れない。 後者であると仮定すると、あなたが設計しているもの、 そしてあなたの関心のある任務は、画像処理装置である。
あなたは、クロック速度をできる限り低く抑え、 全てのグッド EMC 設計プラクティスに従って設計する。 あなたの機器の中では 500MHz 以上の周波数は使われていない。 その処理装置は自身のシールド・ケース内に納められ、適切な EMC 規格、 例えば Defence Standard 59-411 ――この規格は軍用機器に適用されるものであるので、 警察用 UAV に対して充分過ぎる確認となる筈である―― に対して試験される。 その結果は、18GHz まででノイズ・フロアを超えるエミッションがなく、 1.9GHz アップリンク周波数での放射に関係する問題はなく、 イミュニティ問題がないことを示す。
その処置装置は UAV に取り付けられ、最初の試験がシールド・ルーム内で行なわれるかも知れない。 全てのスイッチが入れられ、無線のアップリンクとダウンリンクは良好に機能する。 次のトライアルは飛行場上の 1km 程度の範囲での飛行である； これは問題がないことを示す。 (そのポイントに辿り着くための設計の数ステップは省略する。)
為すべき次のことは、この UAV を顧客に実演することである ―― M1 を走る車を追って、それはしばらくのあいだは動き、 その後、5km 程度で、制御が失われたようで、 ビデオ・フィードバックは UAV が 50人の子供が乗っているバスにまっすぐ向かっていることを示す。 それは 140km/h の合成速度でフロントガラスを突き抜けて運転手の頭に当たる。 バスは制御を失い、子供たちの命が失われるのとともに、 それに続く混乱の中で他の幾人かのモータリストが傷付けられたり殺されたりする。
調査は、あなたの処理装置が必要な規格に従って作られておらず、 それが UAV の制御の喪失の原因であったことを示す。 どのように？ なぜ？
そのシールド・ボックスは良好に機能し、 18GHz までで全てのエミッション試験に合格したが、 もし基板の設計自身が良いものであったならば、 規定に適合するためにはそのボックスの遮蔽は最小限のものが必要となるだけである。
だが、最小限の遮蔽はより高い周波数の外部電磁エネルギーを止めるとは限らず、 従って GHz の周波数がその処理装置のケースに出入りすることを許す。 ひとたび処理装置のボックス内に入り、その回路に拾い上げられれば、 処理装置の 500MHz のクロック周波数と混合されることを防ぐものは少ない。
従って、2.4GHz にクロック周波数の 500MHz を加えたり引いたりしたものは、 2.9GHz と 1.9GHz に2つの新たな信号を生じ、その 1.9GHz はアップリンクの周波数となる。 既に述べたように、そのケース (ボックス) の遮蔽は GHz の周波数では充分に良くなく、 その新たな 1.9GHz 信号は顕著な減衰なしに出ていくことができる。 そして、これは 1.9GHz 制御信号の受信と競合する。 アップリンクへの干渉を止めるためには 2.4GHz ダウンリンクを切る必要があるが、 そのための手段はジャミングされており、UAV は地上からの指令を聞き取ることができない。
上の概念に悩まされるようであれば、これらの周波数の波長を物理的物体として考え、 またその箱を物体が通り抜けられる穴を持つものとして考える。 500MHz とその二次と三次の高調波 (1GHz と 1.5GHz) は、 0.6m、0.3m、及び 0.2m の波長を持つ。
もしその箱が 0.19m の穴を持つならば、 これらの波長のいずれも「フィット」せず、従ってそれらは箱の内部に留まる。 だが、2.9GHz (0.103m) と同様、2.4GHz (0.125m) と 1.9GHz (0.158m) の波長は、 その箱の穴を通り抜けることができる。
UAV が地上送信機から遠くに飛行すると、地上から UAV への信号は弱まる ―― これは、もし同じ周波数に信号がなければ、問題はなかったことだろう。 その干渉信号は、地上から UAV への信号が、 同じ周波数での混合成分の放射と競合できなくなった時に、地上制御無線の受信を喪失させる。 そして、UAV は制御から外れて迷走する。
勿論、上のものは例であり、UAV はアップリンクの喪失に対して安定であるように設計されることだろうし、 出発地点への帰還と自動着陸の機能さえ持つかも知れない。 だが、その要点は示された ―― 二次放射はその動作を混乱させ得る。 二次放射は干渉のシナリオにどの程度頻繁に関係しているだろうか？ おそらくは非常に頻繁に！ UAV の設計は今日では遥かに良い筈であるが、未だに二次放射の管理のための要求はない。 サブシステムの設計者は意図的な UAV 送信の多くを知らないのが普通である ―― それは知る必要の原則によって制限されている。
その原因は上のように複雑なものである必要はない。
ある時、フランスの戦闘機でのハードウェア試験が実施された。 その機器はジェット機に取り付けられ、ジェット機は格納庫からエプロンへと引き出された。 ほぼ即座に、空港がジャミングを受けているので そのジェット機を格納庫に戻すようにという指示が入った！ 私はその機器を調べた ―― その電源の電源は入れられていなかったが、 技術者らは電子回路に給電している隠れた回路を探していた。 私は、ある周波数の送信機と、 その基本波をフィルタ・アウトして高調波周波数を見る受信機をセットアップした。 この試験は、高調波が存在することをすぐに示した。 引き続いての調査で、その航空機用機器の受信部が、 受信入力間に保護用ダイオードを持つことがわかった。 機が格納庫から引き出された時には、 このダイオードが唯一のアクティブなデバイスであった ―― その受信アンテナは飛行場に存在している全ての周波数を受信し、 いろいろな形で混合し、この新しい、また既に存在していた周波数を再放射する。
私の最後の話は、UK の都市に設置された TETRA 無線システムのひとつについてである。 設置後、RF が建物で遮蔽されるためにモバイル・ユニットが基地局と通信できない、 「無線ブラック・スポット」があることがわかった。 ブラック・スポットがどこであるかを同定し、 その影を埋めるために他の建物に中継機が設置された。 その後、本当の問題が生じた ―― 基地局アンテナが中継機アンテナの見通し内にあるにもかかわらず、 中継機が基地局から受信することができない。
運悪く、中継機の受信アンテナを支持する柱が金属性で、 受信アンテナの位置で逆相となる反射を生じ、直接の信号を相殺した。 問題の原因を認識することなしに、技術者が確認し、 機器、フィーダー、そしてアンテナさえも移動させることで、コストは跳ね上がった。
必要であったのは、リンクが機能できるようにするのに充分なだけ反射の位相を変えるように、 取り付け用の支柱に対するアンテナの位置を変えることだけであった。
レーダーが家屋や他の静止している物体を見てレーダー画面を混乱させないように、 周波数が送信されたレーダー・パルスと同じである時、その反射 (二次放射) は消すことができる。 風力発電所には電磁エネルギーを反射する動く回転翼があり、 それらは小型の高速度航空機や接近中のミサイルと同程度の、 相当に大きいドップラー・シフトをもたらす。
反射器はアンテナで用いられ、 ミキサはアップ／ダウン・コンバータなどで用いられている。 これらのいずれかの機構の偶発的で制御されていない存在は、 特定の状況で問題を引き起こし得る。 電子回路での二次放射の発生はかなり良く認識されているが、 反射についてはどうだろうか？
反射には EMC 設計に占める場所があるだろうか？ 私の観点は、イエス、もちろんそうだろう、というものである。
私は、この種の効果が EMC 指令でカバーされているかどうかと人々が尋ねるのを聞いたこともある。
2004/108/EC、「EMC 指令」の 2.1.e 条からの引用：
「電磁妨害」は、機器の性能を劣化させ得る任意の電磁現象を意味する。 電磁妨害は、電磁雑音、望ましくない信号、あるいは伝搬媒体自身の変化であるかも知れない。
反射は指令でカバーされる (吸収も同様)。
条件が合えば、無線リンクは駄目になるだろう。 構造的手段によって無線受信のブロックすることの責任は、 干渉周波数を発生させることで電子的手段によって無線受信をブロックする者のそれと全く同じである。 これは通常は小さい機器、例えばトラックよりも小さいものには当て嵌まらない。 大きな品物は伝搬媒体を相当に乱すだけのキャパシティを持つ。 もし作動可能な通信リンクが 建物やガス貯蔵施設や金属で覆われたトラックによって作動しないようにさせられたならば、 その解決は彼らの問題となる。 送信アンテナがはっきりと見える丘の頂上にトラック駐車場を設けない ―― それはトラブルを求めることである。
二次放射は、疑わしい機器を切る機会がない時により大きな影響をもたらす ―― 航空機には制御を引き継ぐ操縦士がいるが、UAV はそうではない。 もしそのアップリンクが二次放射によってブロックされたならば、 その疑わしい機器は制御できない。
だが、二次放射はリスクに対する防護を適用する工学的手段によって制御できる。
先見はいつリスクが存在し得るかの同定を助け得るし、 そのリスクを制御するために設計手段を実施できる。
二次放射の制御の決定はリスク・アセスメントに基づかなければならない。 誰かが RF 技術者にカナリア埠頭が数万の家のテレビ受信を損ない得るかと尋ねていれば、 彼らはイエスと答えたことだろう ―― その影響は予測可能であった。
最後に、上の話題はユニークなものではない ―― 二次放射の他のいくつかの例を含む、「The First 500 Banana Skins」を見て欲しい (No.142、179、267、363)。 それらは別の形で、大抵はダイオードや錆びた金属のような非線型デバイス内での 所望の送信信号との相互変調として述べられている (上のジェット機の問題と同様)。
関心のある人のために、バナナの皮の No.267 と No.363 を以下に再掲しておく。
No.267 (ケーブ・カナベラルでのサターンの発射) より： そのスプリアス信号は 試験データの収集のために船上に配置されていた多数のテレメトリ送信機によって引き起こされたが、 それらのいずれも射場安全受信器の近くでは作動していなかった。 さらなる調査は、様々な RF 信号が「ミキシング」され、適切に接続されていなかった金属構造、 例えば蝶番付きのケーブル・トレー・カバーやガントリーのチェーン手摺りによって作られた非線形回路で 相互変調成分を発生したことを明らかにした。
No.363 より： この研究は、いくつかの携帯電話の相互変調が 航空機の GPS と距離測定機で使用されている周波数帯でのエミッションを生じたことを見出した。 その報告は、航空用通信／航法 RF 帯での相互変調効果を生じ得る、 乗客の一般的な送信機のその他の組み合わせを同定した。
脚註1: ご存じない方は、"Tony Hancock - The Radio Ham" を検索してみて欲しい。
これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。
Last update: 2011-01-04